معلومات مفاجئة عن أصول المادة في الكون المبكر

تمثيل فني لرذاذ الجزيئات الناتجة عن اصطدام ذرتين ثقيلتين. وعندما يبرد الحساء دون الذري الساخن، تتشتت الجسيمات المتكونة حديثًا في الفضاء. ائتمان: جوزيف دومينيكوس لاب، تم تحريره

أعاد العلماء خلق الظروف القاسية للكون المبكر في مسرعات الجسيمات، وكشفوا عن رؤى مذهلة حول تكوين المادة.

تظهر الحسابات الجديدة أن ما يصل إلى 70% من بعض الجسيمات قد تأتي من تفاعلات لاحقة، وليس من الحساء الأولي للكواركات والجلونات التي تشكلت بعد التفاعل مباشرة. الانفجار العظيم. يتحدى هذا الاكتشاف الافتراضات السابقة حول الجدول الزمني لتشكل المادة، ويشير إلى أن الكثير من المادة من حولنا تشكلت في وقت متأخر عما كان يعتقد سابقًا. ومن خلال فهم هذه العمليات، يمكن للعلماء تفسير نتائج تجارب المصادم بشكل أفضل وتحسين معرفتهم بأصول الكون.

إعادة خلق الظروف القاسية للكون المبكر

كان الكون المبكر أكثر حرارة بمقدار 250 ألف مرة من حرارة قلب شمسنا. الجو حار جدًا بحيث لا يمكن تكوين البروتونات والنيوترونات التي تشكل المادة اليومية. يعيد العلماء خلق ظروف الكون المبكر في مسرعات الجسيمات عن طريق تحطيم الذرات معًا بسرعة قريبة من سرعة الضوء. يتيح قياس وابل الجسيمات الناتج للعلماء فهم كيفية تشكل المادة.

يمكن للجسيمات التي يقيسها العلماء أن تتشكل بعدة طرق: من الحساء الأصلي للكواركات والجلونات، أو من تفاعلات لاحقة. بدأت هذه التفاعلات الأخيرة بعد 0.000001 ثانية من الانفجار الكبير، عندما بدأت الجسيمات المركبة المصنوعة من الكواركات في التفاعل مع بعضها البعض. حددت عملية حسابية جديدة أن ما يصل إلى 70% من بعض الجسيمات المقاسة جاءت من هذه التفاعلات اللاحقة، وليس تفاعلات مشابهة لتلك التي حدثت في الكون المبكر.

فهم أصول المادة

ويحسن هذا الاكتشاف الفهم العلمي لأصول المادة. فهو يساعد في تحديد كمية المادة التي تشكلت من حولنا في الأجزاء الأولى من الثانية بعد الانفجار الكبير، مقارنة بكمية المادة التي تشكلت من التفاعلات اللاحقة أثناء توسع الكون. وتشير هذه النتيجة إلى أن كميات كبيرة من المادة من حولنا تشكلت في وقت متأخر عما كان متوقعا.

لفهم نتائج تجارب المصادم، يجب على العلماء تجاهل الجسيمات التي تتشكل أثناء التفاعلات اللاحقة. فقط تلك التي تشكلت في الحساء دون الذري هي التي تكشف الظروف البدائية للكون. يوضح هذا الحساب الجديد أن عدد الجسيمات المقاسة التي تشكلت أثناء التفاعلات أعلى بكثير من المتوقع.

أهمية التفاعلات اللاحقة في تكوين الجسيمات

في التسعينيات، أدرك الفيزيائيون أن بعض الجسيمات تتشكل بأعداد كبيرة من التفاعلات اللاحقة بعد المرحلة الأولية لتكوين الكون. يمكن للجسيمات التي تسمى الميزونات D أن تتفاعل لتشكل جسيمًا نادرًا، وهو الكارمونيوم. ولم يتمكن العلماء من الاتفاق على أهمية هذا التأثير. وبما أن الكارمونيوم نادر، فمن الصعب قياسه.

ومع ذلك، توفر التجارب الحديثة بيانات عن عدد الكارمونيوم والميزونات D التي تنتجها المصادمات. جامعة ييل واستخدمت جامعة ديوك البيانات الجديدة لحساب قوة هذا التأثير. وتبين أنها أكبر بكثير مما كان متوقعا. يمكن أن يتكون أكثر من 70% من الكارمونيوم المُقاس أثناء التفاعلات.

الآثار المترتبة على فهم أصول المادة

عندما يبرد الحساء الساخن المكون من الجسيمات دون الذرية، فإنه يتوسع ليصبح كرة نارية. كل هذا يحدث في أقل من جزء من مائة من الوقت الذي يستغرقه الضوء للمرور عبر أ ذرة. ونظرا لسرعة هذه الظاهرة، فإن العلماء لا يعرفون بالضبط كيف تتطور الكرة النارية.

وتظهر الحسابات الجديدة أن العلماء لا يحتاجون مطلقًا إلى معرفة تفاصيل هذا التوسع. تنتج الاصطدامات كمية كبيرة من الكارمونيوم على أي حال. هذه النتيجة الجديدة تقرب العلماء من فهم أصول المادة.

المرجع: “تجديد Hadronic J/ψ في تصادمات Pb + Pb” بقلم جوزيف دومينيكوس لاب وبيرندت مولر، 11 أكتوبر 2023، رسائل الفيزياء ب.
دوى: 10.1016/j.physletb.2023.138246

تم دعم هذا العمل من قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة، برنامج الفيزياء النووية. يشكر أحد الباحثين أيضًا حسن الضيافة والدعم المالي المقدم خلال فترة التفرغ العلمي في جامعة ييل.